道岔用复合定位套优化改进

邹小魁,沈艳杰

(中铁山桥集团有限公司,河北秦皇岛 066205)

1 概述

复合定位套是在以图号GLC命名的“工联岔”道岔设计时研发出来的新产品,最初设计的复合定位套采用将钢套管与橡胶套管通过硫化工艺粘结在一起的基本结构,其断面形式见图1；一般情况下铁垫板与螺栓间设置复合定位套,工作状态如图2所示。复合定位套在列车横向力作用下用以缓冲铁垫板对螺栓的横向冲击,起到缓冲、定位的双重作用；同时使螺栓紧固时对铁垫板不产生较大的垂向压力,有利于充分发挥铁垫板下弹性垫层的弹性。但受历史条件技术发展局限性的影响,当时理论分析手段和试验条件还不够完善,因此复合定位套的设计受到了一定的制约。通过近几年的运营实践,特别是货运方面提出了250 kN轴重货物列车,时速120 km的要求后,复合定位套外层橡胶套管在列车横向力的作用下易发生疲劳破损；同时由于橡胶体积不可压缩,加上复合定位套高度设计的不合理性,两方面的因素使得复合定位套在没有受到岔枕螺栓扭矩作用时,其下端与岔枕顶面已经相接触,导致铁垫板下弹性垫层的弹性没有真正发挥出来。

针对以上复合定位套出现的不足之处,优化原有复合定位套的结构,将复合定位套外层橡胶套管材料更换为尼龙66；同时增加橡胶垫圈,橡胶垫圈下端为圆形结构,以提供复合定位套在垂向力作用下,橡胶变形所需要的压缩空间；最后将原有复合定位套高度尺寸减小1 mm,以避免复合定位套在没有受到任何岔枕螺栓扭矩时而与岔枕顶面相接触,以利于充分发挥铁垫板下弹性垫层的弹性。优化后复合定位套断面形式见图3。

图1 未优化复合定位套(单位：mm)

图2 复合定位套工作状态

图3 优化后复合定位套(单位：mm)

本文采用有限元法计算优化前后复合定位套橡胶套管和尼龙66套管的等效应力,橡胶套管和橡胶垫圈的最大垂向位移,以验证优化后复合定位套的合理性。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

在有限元分析中,常用Mooney材料来模拟橡胶的行为,Mooney形式对于天然橡胶和硫化橡胶,在相当大的范围内都给出了良好的近似。本文采用两参数(C01、C10)Mooney-Rivilin超弹材料本构模型及八节点六面体超弹单元hyper58模拟橡胶[1-3]。

钢套管、尼龙66套管采用线弹性材料本构模型及八节点六面体单元solid45模拟[1]。

2.2 材料参数

橡胶材料：杨氏模量为8 MPa,泊松比为0.49,密度为1 600 kg/m3,参数C01为0.879 6 MPa,C10为0.044 MPa。

其他金属材料：杨氏模量为2.1×105MPa,泊松比为0.3,密度为7 800 kg/m3。

尼龙66：杨氏模量为9 GPa,泊松比为0.35,密度为1 140 kg/m3。

3 计算结果及分析

3.1 优化前后复合定位套强度比较分析

复合定位套主要应用于200 km/h客货混用线路,分析计算时取最不利状态,货车250 kN轴重,考虑速度效应及偏载效应[4],取轴重2倍的静轮载作为竖向力；横向力取竖向力0.25倍[5]。根据道岔铺设的要求,岔枕螺栓扭矩为300 N·m,由此计算可得岔枕螺栓的竖向力为50 kN,取铁垫板与橡胶垫板摩擦系数为0.5,则可计算出铁垫板与橡胶垫板之间的摩擦力为25 kN。通过计算分别可得优化前后复合定位套非金属件最大等效应力值以及垂向位移值，见表1。

表1 复合定位套优化前后非金属件最大等效应力及垂向位移

由表1可知,复合定位套在未优化前,橡胶套管在岔枕螺栓竖向力及列车横向力的双重作用下,其最大等效应力达到1.7 MPa,而其容许应力一般取为3 MPa,在长期使用过程中的疲劳容许应力为容许应力的40%左右,即疲劳容许应力为1.2 MPa。这样,橡胶套管在长时间的竖向力及横向力的作用下,将发生疲劳破损,这在工程应用中是不允许的；复合定位套在未优化之前,橡胶套管的垂向最大位移为1.3 mm,而最初设计时并没有考虑橡胶套管的竖向压缩,只是简单的将橡胶套管与岔枕基面相接触,这也影响了道岔扣件系统各方位弹性接触的效果。而优化后的复合定位套,通过计算可知,尼龙66套管的最大等效应力为29.4 MPa,竖向最大位移为1.05 mm,尼龙66的屈服强度为118 MPa,疲劳强度为47.26 MPa。可以看出,优化后的尼龙套管可以满足复合定位套的设计与使用要求；考察优化后复合定位套橡胶垫圈,其最大等效应力为1.2 MPa,等于橡胶的疲劳容许应力,满足橡胶垫圈的设计要求,同时橡胶垫圈的最大垂向位移为1.05 mm,在复合定位套高度减小1 mm后,因其两者数值几乎完全相同,因此优化后的复合定位套完全可以满足自身向下移动的空间。

3.2 摩擦系数对优化后复合定位套强度的影响

摩擦系数决定着列车通过垫板作用在复合定位套上的横向力大小,保持荷载、轨道系统各参数不变,仅改变铁垫板与橡胶垫板摩擦系数,考察复合定位套中的尼龙套管与橡胶垫圈等效应力的变化规律,通过计算可得尼龙套管以及橡胶垫圈等效应力与摩擦系数关系如表2所示。

表2 摩擦系数与尼龙套管以及橡胶垫圈的等效应力关系

由表2可知,对于优化后的复合定位套,尼龙套管所受到的等效应力为29.4 MPa,满足其疲劳强度指标,并且等效应力不随着摩擦系数的变化而变化；摩擦系数决定了列车通过钢轨作用在复合定位套上的横向力,随着摩擦系数的增大,列车作用在复合定位套上的横向力将减小,其应力也将减小,而通过有限元计算尼龙套管的等效应力没有发生变化,这说明横向力增加对于尼龙套管的等效应力很小,可以忽略不计。橡胶垫圈的等效应力为1.2 MPa,等于其疲劳强度应力值,可满足工程实际需求,而且摩擦系数对橡胶垫圈的等效应力没有任何影响,对于设计橡胶垫圈时,可不考虑列车横向力的影响,仅考虑岔枕螺栓竖向力的影响因素。

3.3 岔枕螺栓扭矩对优化后复合定位套强度的影响

岔枕螺栓的扭矩直接决定着螺栓施加给橡胶垫圈与尼龙套管竖向力的大小,现保持其他轨道参数与列车荷载作用大小不变,只改变岔枕螺栓扭矩的大小,考察优化后的复合定位套尼龙套管等效应力、橡胶垫圈等效应力与岔枕螺栓扭矩之间的变化规律。

由表3可知,优化后的复合定位套,尼龙套管的等效应力与岔枕螺栓扭矩的关系不大,其等效应力最大变化值为0.5 MPa,而岔枕螺栓的扭矩变化量却很大；岔枕螺栓的扭矩对橡胶垫圈的等效应力影响很小,橡胶垫圈的等效应力变化值为0.05 MPa,因此可以忽略不计；尼龙套管和橡胶垫圈的等效应力与岔枕螺栓的扭矩之间关系不大,主要是因为,复合定位套与岔枕面之间存在1 mm的空间,当在岔枕螺栓扭矩作用下,首先是橡胶垫圈受到垂向力而变形,当复合定位套向下垂直移动了1 mm后,此时,尼龙套管与橡胶垫圈一起承受岔枕螺栓的垂向力,由于尼龙套管的弹性较小,而不易变形。

表3 岔枕螺栓扭矩与尼龙套管以及橡胶垫圈的等效应力关系

因此,无论是尼龙套管还是橡胶垫圈,此时的变形量基本保持不变,因而引起尼龙套管与橡胶垫圈的等效应力基本不变。

4 运营实践

优化后的复合定位套已经成功应用于泰国道岔的设计项目,根据现场试铺以及使用的实际情况来看,采用以上所述优化方案对复合定位套优化后,一方面提高了复合定位套的使用寿命,保证了铁垫板与岔枕之间的弹性接触,另一方面,减小了道岔的养护维修工作。对此,泰方专家给予较高的评价。

5 结论

运用有限元法,比较了优化前后复合定位套的强度,分析了优化后复合定位套的等效应力随摩擦系数、岔枕螺栓扭矩的变化规律,结果表明：

(1)优化前复合定位套中的橡胶垫圈强度储备不足,在疲劳荷载的作用下,橡胶垫圈将会发生疲劳破损；而优化后的复合定位套,橡胶垫圈与尼龙套管的强度均满足列车的运行需求；通过给复合定位套留有压缩空间,实现了对垫板的竖向弹性紧固。

(2)摩擦系数对于优化后复合定位套的等效应力无影响,因此,在设计橡胶垫圈时,只需要考虑岔枕螺栓扭矩的需求。

(3)岔枕螺栓扭矩对优化后复合定位套的影响很小,可以忽略不计。

道岔已向着重载化、高速化的方向发展,复合定位套作为扣件系统中的一个重要零部件,起着至关重要的作用；而整个扣件系统包含有岔枕螺栓、轨距块、轨下胶垫、弹条等等,设计整个扣件系统,则要全面考虑尽可能多的影响因素。目前,复合定位套已大量应用于高速与重载道岔的研发生产当中,通过这几年来的实践运行,证明研发复合定位套是非常有意义的。因此,进一步优化研究复合定位套的结构和材质,对进一步提高扣件的使用性能将是十分有益的。

[1] 博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京：中国水利水电出版社,2004．

[2] 周长峰.橡胶缓冲器有限元分析[J].工艺装备，2004，14(1)：39-42.

[3] 郑明军.压缩状态下橡胶件大变形有限元分析[J].北方交通大学学报,2001(1).

[4] 陈小平.高速道岔轨道刚度理论及应用研究[D].成都：西南交通大学,2008．

[5] 全顺喜,王 平,张海洋.曲线上钢轨横向位移影响因素分析[J].铁道建筑,2010(2).